DE102020112442A1 - Sensor warehouse, vehicle with this and method for evaluating measurement data from the sensor warehouse - Google Patents

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Hermann Reichelt
Klaus Koenig
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorlager, umfassend einen um eine Achse rotierbaren Innenlagerring (01), der koaxial zu einem Außenlagerring (02) befindlich ist. An dem rotierbaren Innenlagerring (01) sind eine Primärspule (09) sowie ein Mikrocontroller (06) und an dem stehenden Außenlagerring (02) eine Sekundärspule (11) angeordnet. Die Primärspule (09) und die Sekundärspule (11) sind gegenüberliegend angeordnet, wobei zwischen diesen ein Luftspalt (13) besteht. Weiterhin umfasst das Sensorlager ein Messelement (04), welches mit der Primärspule (09) gekoppelt ist und an einer außenliegenden Fläche des Innenlagerrings (01) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug mit mindestens einem Fahrzeugrad und einem derartigen Sensorlager sowie ein Verfahren zum Auswerten eines Messsignals eines solchen Sensorlagers.

Figure DE102020112442A1_0000
The present invention relates to a sensor bearing, comprising an inner bearing ring (01) which can be rotated about an axis and which is located coaxially with an outer bearing ring (02). A primary coil (09) and a microcontroller (06) are arranged on the rotatable inner bearing ring (01) and a secondary coil (11) is arranged on the stationary outer bearing ring (02). The primary coil (09) and the secondary coil (11) are arranged opposite one another, with an air gap (13) between them. Furthermore, the sensor bearing comprises a measuring element (04) which is coupled to the primary coil (09) and is arranged on an outer surface of the inner bearing ring (01). The invention further relates to a vehicle with at least one vehicle wheel and such a sensor bearing, as well as a method for evaluating a measurement signal from such a sensor bearing.
Figure DE102020112442A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorlager. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere einen PKW, mit einem oder mehreren solcher Sensorlager und ein Verfahren zum Auswerten von Messdaten, welche mittels des Sensorlagers erfasst wurden.The present invention relates to a sensor bearing. The invention also relates to a vehicle, in particular a passenger car, with one or more such sensor bearings and a method for evaluating measurement data that were acquired by means of the sensor bearing.

Wälzlageranordnungen mit integrierten Sensoreinrichtungen, auch als Sensorlager bezeichnet, realisieren nicht nur die primäre Lagerfunktion sondern dienen darüber hinaus dem Erfassen unterschiedlicher Lagerzustandsgrößen, wie beispielsweise Drehzahl, Temperatur und Drehwinkel. Die Sensoreinrichtungen umfassen mehrere Sensoren und Signalgeber, welche an einander gegenüberliegenden Flächen von Außenlagerring und Innenlagerring angeordnet sind.Rolling bearing arrangements with integrated sensor devices, also referred to as sensor bearings, not only realize the primary bearing function but also serve to record different bearing state variables, such as speed, temperature and angle of rotation. The sensor devices comprise several sensors and signal transmitters which are arranged on mutually opposite surfaces of the outer bearing ring and inner bearing ring.

Um autonomes Fahren zu ermöglichen, sollen u.a. Messdaten aus dem Radlager bzw. der Radlagerumgebung zur Anwendung kommen. Diese Messdaten werden beispielsweise bei Lastkraftwagen mittels eines an einem Achszapfen angebrachten Messrings generiert, wobei der Achszapfen steht und ein zu diesem koaxial angeordneter Außenring rotiert. Der Messring dient dabei als Messaufnehmer. Ein Nachteil der beschriebenen Anordnung mit einem stehenden Messaufnehmer ist, dass damit keine Drehzahl ermittelt werden kann. Daten aus stehenden Messaufnehmern haben den Nachteil, dass sie eine hohe Anzahl an Sensoren an verschiedenen Messpositionen benötigen, um eine vollumfängliche Erfassung von Messdaten zu ermöglichen. Eine hohe Anzahl an Messpositionen ist kostenintensiv und erfordert einen hohen Auswertungsaufwand der erfassten Messdaten. Ein weiterer Nachteil ist, dass ein erhöhter Reibkontakt besteht, der große Hysteresen in den Messsignalen hervorrufen kann. Weiterhin kann es zur Beeinflussung der Messrate, je nach Speichertiefe, kommen.In order to enable autonomous driving, among other things, measurement data from the wheel bearing or the wheel bearing environment should be used. In the case of trucks, for example, these measurement data are generated by means of a measuring ring attached to an axle journal, the axle journal standing and an outer ring arranged coaxially with it rotating. The measuring ring serves as a measuring sensor. A disadvantage of the described arrangement with a stationary measuring sensor is that no speed can be determined with it. Data from stationary measuring sensors have the disadvantage that they require a large number of sensors at different measuring positions in order to enable the full acquisition of measuring data. A large number of measurement positions is cost-intensive and requires a lot of effort to evaluate the recorded measurement data. Another disadvantage is that there is increased frictional contact, which can cause large hysteresis in the measurement signals. Furthermore, the measuring rate can be influenced, depending on the memory depth.

In der GB 2 531 259 A ist ein Verfahren zur Wälzkörperabstandsdetektion in einem Wälzlager beschrieben.In the GB 2 531 259 A describes a method for detecting the distance between rolling elements in a rolling bearing.

In der DE 10 2014 212 124 B3 ist ein Übertrager zum Übertragen von Daten und/oder Energie beschrieben, der ein konzentrisches Spulenpaar umfasst. Die Spulen sind magnetisch gekoppelt und als gedruckte Schaltung auf einer mehrschichtigen Platine ausgeführt.In the DE 10 2014 212 124 B3 describes a transmitter for transmitting data and / or energy which comprises a concentric pair of coils. The coils are magnetically coupled and designed as a printed circuit on a multilayer circuit board.

Die DE 103 23 889 A1 beschreibt ein Wälzlager mit Sensoren zur Erfassung von auf das Lager wirkenden physikalischen Größen. Weiterhin umfasst das Wälzlager Auswertungs- und/oder Übertragungskomponenten, wobei die Komponenten und Sensoren auf einem Lagerbauteil angeordnet sind.the DE 103 23 889 A1 describes a rolling bearing with sensors for recording physical quantities acting on the bearing. Furthermore, the roller bearing comprises evaluation and / or transmission components, the components and sensors being arranged on a bearing component.

Aus der US 6 703 734 B2 ist ein Lager bekannt, bei welchem eine kontaktlose Signalübertragung von einer drehenden Welle zu einer stehenden Welle erfolgt. Das Lager umfasst einen Energieerzeugungskreis, einen Signalübertragungskreis und einen Energieerfassungskreis.From the US 6,703,734 B2 a bearing is known in which a contactless signal transmission takes place from a rotating shaft to a standing shaft. The bearing includes a power generation circuit, a signal transmission circuit and an energy detection circuit.

Die US 2018/0313708 A1 zeigt eine Lagereinheit für ein Fahrzeugrad. Die Lagereinheit umfasst einen Innenlagering und einen Außenlagerring sowie dazwischen befindliche Wälzkörper. An einem rotierenden Lagerring sind Beschleunigungssensoren angeordnet.the US 2018/0313708 A1 shows a storage unit for a vehicle wheel. The bearing unit comprises an inner bearing ring and an outer bearing ring as well as rolling elements located between them. Acceleration sensors are arranged on a rotating bearing ring.

Aus der WO 2004/070337 A1 ist ein Messlager mit integriertem Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem bekannt. Das Messlager weist an einem seiner Lagerringe eine Aussparung auf, in der ein Dehnungsmessstreifen angeordnet ist.From the WO 2004/070337 A1 a measuring bearing with an integrated data acquisition and data processing system is known. The measuring bearing has a recess in one of its bearing rings, in which a strain gauge is arranged.

Die DE 10 2017 108 130 A1 beschreibt ein Verfahren zur Datenfusion eines Datensatzes, wobei die Daten von Sensormessungen stammen.the DE 10 2017 108 130 A1 describes a method for data fusion of a data set, the data originating from sensor measurements.

Die von der Anmelderin eingereichte DE 10 2018 128 648.1 beschreibt ein Sensorlager sowie ein Fahrzeug mit diesem. Das Sensorlager umfasst einen rotierbaren Außenlagerring und einen koaxial zum Außenlagerring angeordneten Innenlagerring. An einem Umfang des Außenlagerrings ist eine planare Messstelle ausgebildet, auf welcher ein Sensor angeordnet ist. Weiterhin ist ein mit dem Sensor gekoppelter Mikrocontroller an dem Außenlagerring angeordnet. Das Sensorlager umfasst weiterhin eine am drehenden Außenlagerring angeordnete Empfängerspule und eine am Innenlagerring angeordnete Senderspule, wobei die Empfängerspule und die Senderspule gegenüberliegend positioniert sind.The submitted by the applicant DE 10 2018 128 648.1 describes a sensor bearing and a vehicle with this. The sensor bearing comprises a rotatable outer bearing ring and an inner bearing ring arranged coaxially to the outer bearing ring. A planar measuring point on which a sensor is arranged is formed on a circumference of the outer bearing ring. Furthermore, a microcontroller coupled to the sensor is arranged on the outer bearing ring. The sensor bearing further comprises a receiver coil arranged on the rotating outer bearing ring and a transmitter coil arranged on the inner bearing ring, the receiver coil and the transmitter coil being positioned opposite one another.

Es sind Telemetriesysteme zur Bereitstellung bzw. Übertragung von Signalen sowie Energie bekannt. Standard-Telemetriesysteme sind in der Regel multifunktional, weisen mehrere Kanäle auf und sind somit teuer. Als Telemetrie wird die drahtlose Datenübertragung bezeichnet. Ein besonders einfaches Telemetriesystem ist beispielsweise ein Schleifringüberträger, wobei der Empfänger und der Sender durch den Schleifring und eine Bürste gebildet werden. Der Schleifring weißt einen Gleitkontakt zu einem Lagerring auf. Dieses System hat den Vorteil, dass es kostengünstig ist. Jedoch treten hoher Verschleiß, infolge dessen mit Funktionseinschränkung zu rechnen ist, und Rauschanfälligkeit auf. Ein weiteres bekanntes Telemetriesystem zum Daten- und Energieaustausch ist die Funktelemetrie. Funktelemetrie hat den Vorteil, dass sie verschleißfrei arbeitet. Der Nachteil an der Funktelemetrie ist, dass sie höhere Kosten als der Schleifringüberträger verursacht und eine komplexe Schaltung notwendig ist. Eine dritte Form der Telemetrie ist die induktive Übertragung; diese arbeitet ebenfalls verschleißfrei. Die induktive Telemetrie benötigt ebenfalls eine Verschaltung und gilt als zu teuer, weshalb sie regelmäßig nicht in Sensorradlagern zur Anwendung kommt.Telemetry systems for providing or transmitting signals and energy are known. Standard telemetry systems are usually multifunctional, have multiple channels and are therefore expensive. Wireless data transmission is called telemetry. A particularly simple telemetry system is, for example, a slip ring transmitter, the receiver and the transmitter being formed by the slip ring and a brush. The slip ring has sliding contact with a bearing ring. This system has the advantage that it is inexpensive. However, there is a high level of wear and tear, as a result of which a functional restriction is to be expected, and susceptibility to noise. Another known telemetry system for exchanging data and energy is radio telemetry. Wireless telemetry has the advantage that it works without wear. The disadvantage of radio telemetry is that it is more expensive than the slip ring transmitter and that a complex circuit is necessary. A third form of telemetry is inductive transmission; this also works wear-free. Inductive telemetry also requires interconnection and is considered too expensive, which is why it is not regularly used in sensor wheel bearings.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Sensorlager bereitzustellen, welches eine geeignete Messposition für Sensoren aufweist, wobei die Sensoren leicht im Lager montierbar sein sollen. Eine weitere Aufgabe wird darin gesehen, eine kostengünstige drahtlose Signalübertragung an einem solchen Sensorlager zu ermöglichen. Weiterhin soll mit der vorliegenden Erfindung das Erfassen und Verarbeiten von Messdaten eines solchen Sensorlagers möglich sein.One object of the present invention, based on the prior art, is to provide a sensor bearing which has a suitable measuring position for sensors, it being possible for the sensors to be easily mounted in the bearing. A further object is seen in enabling inexpensive wireless signal transmission to such a sensor bearing. Furthermore, with the present invention, the acquisition and processing of measurement data of such a sensor bearing should be possible.

Die genannte Aufgabe wird durch ein Sensorlager gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Fahrzeug mit dem Sensorlager gemäß dem nebengeordneten Anspruch 8 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch 10 gelöst.The stated object is achieved by a sensor bearing according to the attached claim 1 and by a vehicle with the sensor bearing according to the independent claim 8. Furthermore, the object is achieved by a method according to the independent claim 10.

Das erfindungsgemäße Sensorlager umfasst einen Außenlagerring und einen koaxial dazu befindlichen Innenlagerring. Der Innenlagerring ist gegenüber dem stehenden Außenlagerring rotierbar. An dem Innenlagerring ist eine Primärspule angeordnet. Der Primärspule gegenüberliegend ist eine Sekundärspule an dem Außenlagerring angeordnet. Zwischen der Primärspule und der Sekundärspule ist ein Luftspalt ausgebildet, welcher kleinstmöglich gestaltet ist. Weiterhin umfasst das Sensorlager einen Mikrocontroller, welcher an dem Innenlagerring angeordnet ist und mit der Primärspule mittels einer elektrischen Leitung verbunden ist. Die Primärspule ist eine Empfängerspule und die Sekundärspule ist eine Senderspule, welche als Antennen der Funkübertragung oder der induktiven Datenübertragung dienen. Ebenso dienen die Primärspule und die Sekundärspule der Energieübertragung und der Energiebereitstellung. Weiterhin umfasst das Sensorlager ein Messelement, welches an die Primärspule gekoppelt ist. Das Messelement ist auf einer außenliegenden Fläche des Innenlagerrings angeordnet, wobei zumindest ein Teil dieser außenliegenden Fläche eine Messstelle bildet. Das Sensorlager ist in einem Fahrzeug, insbesondere einem PKW einbaubar.The sensor bearing according to the invention comprises an outer bearing ring and an inner bearing ring located coaxially therewith. The inner bearing ring can be rotated relative to the stationary outer bearing ring. A primary coil is arranged on the inner bearing ring. A secondary coil is arranged on the outer bearing ring opposite the primary coil. An air gap, which is designed to be as small as possible, is formed between the primary coil and the secondary coil. Furthermore, the sensor bearing comprises a microcontroller which is arranged on the inner bearing ring and is connected to the primary coil by means of an electrical line. The primary coil is a receiver coil and the secondary coil is a transmitter coil, which serve as antennas for radio transmission or inductive data transmission. The primary coil and the secondary coil also serve to transmit and supply energy. Furthermore, the sensor bearing comprises a measuring element which is coupled to the primary coil. The measuring element is arranged on an outer surface of the inner bearing ring, at least a part of this outer surface forming a measuring point. The sensor bearing can be installed in a vehicle, in particular a car.

Die außenliegende Fläche des Innenlagerrings, auf welcher das Messelement angeordnet ist, wird bevorzugt durch einen Außenumfang des Innenlagerrings gebildet. Diese Flächen sind bei der Herstellung des Sensorlagers einfach zugänglich und bieten genügend Raum für das Messelement. Alternativ bevorzugt ist die außenliegende Fläche eine axiale Fläche des Innenlagerrings, insbesondere die Fläche axial an einem Flansch des Innenlagerrings. Diese Fläche kann vor übermäßigen, am Lager auftretenden Beanspruchungen besser geschützt werden.The outer surface of the inner bearing ring on which the measuring element is arranged is preferably formed by an outer circumference of the inner bearing ring. These areas are easily accessible during the manufacture of the sensor bearing and offer enough space for the measuring element. Alternatively, the outer surface is preferably an axial surface of the inner bearing ring, in particular the surface axially on a flange of the inner bearing ring. This area can be better protected from excessive loads occurring on the bearing.

Vorzugsweise ist der Bereich der außenliegenden Fläche, auf der das Messelement angeordnet ist, planar ausgebildet. Dies verringert den Eintrag von unerwünschten Materialspannungen in das Messelement bei dessen Anbringung. Alternativ kann der Bereich der außenliegenden Fläche auch gebogen gestaltet sein. Insbesondere bei großen Radien ist damit die Anbringung des Messelements vereinfacht möglich.The area of the outer surface on which the measuring element is arranged is preferably of planar design. This reduces the entry of undesired material stresses into the measuring element when it is attached. Alternatively, the area of the outer surface can also be designed to be curved. In particular with large radii, the attachment of the measuring element is thus possible in a simplified manner.

Das Messelement ist flach und weitgehend bauraumneutral. Bevorzugt ist das Messelement als Dünnschichtsensor aufgebaut. Vorzugsweise ist das Messelement ein Dehnungsmessstreifen. Besonders bevorzugt besteht das Messelement bzw. der Sensor aus einer dehnungsempfindlichen Metallbeschichtung, welche auf dem Innenlagerring angeordnet ist. Die dehnungsempfindliche Metallbeschichtung ist beispielsweise gemäß der sogenannten Sensotect-Baureihe der Anmelderin gestaltet. Vorteil der Verwendung einer solchen Sensotect-Beschichtung als Messelement ist, dass keine Setz- oder Ermüdungseffekte auftreten.The measuring element is flat and largely does not require any installation space. The measuring element is preferably constructed as a thin-film sensor. The measuring element is preferably a strain gauge. The measuring element or the sensor particularly preferably consists of a stretch-sensitive metal coating which is arranged on the inner bearing ring. The stretch-sensitive metal coating is designed, for example, according to the so-called Sensotect series of the applicant. The advantage of using such a Sensotect coating as a measuring element is that no settling or fatigue effects occur.

Ein Vorteil der Verwendung von flachen Messelementen bzw. Sensoren und deren Position auf dem Lagerring ist, dass die erfassten Messwerte nahezu hysteresefrei sind. Auch ist es vorteilhaft, das Messelement auf dem rotierenden Lagerring anzuordnen, da dadurch mehr Messwerte bzw. Messinformation erzeugt werden können. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von flach ausgebildeten Sensoren ist, dass diese zusammen mit dem Sensorlager einfach und zerstörungsfrei montierbar sind. Vorteilhafterweise können bekannte Radlagerdesigns genutzt werden.An advantage of using flat measuring elements or sensors and their position on the bearing ring is that the recorded measured values are almost hysteresis-free. It is also advantageous to arrange the measuring element on the rotating bearing ring, since this allows more measured values or measurement information to be generated. Another advantage of using flat sensors is that they can be installed together with the sensor bearing in a simple and non-destructive manner. Known wheel bearing designs can advantageously be used.

Das Sensorlager dient der Erfassung von Messdaten am Lager. Es wird mittels des Messelements eine Drehzahl bestimmt. Weiterhin sind vorteilhafterweise mit dem Messelement an den definierten Messpositionen Temperatur, Beschleunigung, Last, Position und Drehrichtung erfassbar. Demnach können mit dem erfindungsgemäßen Sensorlager Sensoren eingespart werden, wodurch vorteilhafterweise Kosten und genutzter Bauraum reduziert werden. Ein zusätzlicher ABS-Sensor kann beispielsweise entfallen. Durch die zusätzlichen Messinformationen kann das fahrdynamische Regelsystem eines Fahrzeugs verbessert werden.The sensor warehouse is used to collect measurement data from the warehouse. A speed is determined by means of the measuring element. Furthermore, temperature, acceleration, load, position and direction of rotation can advantageously be detected with the measuring element at the defined measuring positions. Accordingly, sensors can be saved with the sensor bearing according to the invention, as a result of which costs and the space used are advantageously reduced. An additional ABS sensor can be omitted, for example. The driving dynamics control system of a vehicle can be improved by the additional measurement information.

Vorzugsweise sind die, eine Verarbeitungseinheit bildenden, Primärspule und Mikrocontroller gemeinsam in einer Vergussmasse vergossen, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen. Besonders bevorzugt ist die Verarbeitungseinheit in einem Kunststoffträger vergossen. Insbesondere sind die Primärspule und der Mikrocontroller gemeinsam in einem Kunststoffträger an dem Innenlagerring oder an dem Flansch des Innenlagerrings angeordnet. Die Primärspule und der Mikrocontroller können gemeinsam in einem Kunststoffträger an dem Innenlagerring oder an dem Flansch des Innenlagerrings vergossen sein, wodurch sie während des Einbaus im Fahrzeug und vor allem während des dauerhaften Betriebs sicher geschützt und positioniert sind.The primary coil and microcontroller forming a processing unit are preferably cast together in a potting compound in order to protect them from environmental influences. The processing unit is particularly preferably encapsulated in a plastic carrier. In particular, they are Primary coil and the microcontroller are arranged together in a plastic carrier on the inner bearing ring or on the flange of the inner bearing ring. The primary coil and the microcontroller can be cast together in a plastic carrier on the inner bearing ring or on the flange of the inner bearing ring, whereby they are safely protected and positioned during installation in the vehicle and especially during permanent operation.

Die Sekundärspule kann ebenso zumindest teilweise in einer Vergussmasse, insbesondere in einem weiteren Kunststoffträger vergossen sein, mit welchem die Sekundärspule an dem Außenlagerring angeordnet ist. Die Kunststoffträger des Innenlagerrings und des Außenlagerrings sind voneinander beabstandet.The secondary coil can also be at least partially cast in a potting compound, in particular in a further plastic carrier, with which the secondary coil is arranged on the outer bearing ring. The plastic carriers of the inner bearing ring and the outer bearing ring are spaced from one another.

In der Vergussmasse der Verarbeitungseinheit und/oder der Sekundärspule können Laufflächen und Träger für Dichtungen integriert sein. Dies erleichtert die Anordnung externer Dichtelemente.Running surfaces and supports for seals can be integrated in the potting compound of the processing unit and / or the secondary coil. This facilitates the arrangement of external sealing elements.

Vorzugsweise erfolgt der Verguss der Einheiten vor der Endmontage des Sensorlagers.The units are preferably potted before the final assembly of the sensor bearing.

Die Erstreckung des Messelements in Umlaufrichtung des Außenumfangs des Innenlagerrings kann je nach gewünschter Funktion variieren und einfach an die spezifischen Messanforderungen angepasst werden. Vorzugsweise ist die Erstreckung des Messelements in Umlaufrichtung des Außenumfangs des Innenlagerrings kleiner als ein Durchmesser eines zwischen dem Außenlagerring und dem Innenlagerring befindlichen Wälzkörpers. Alternativ bevorzugt ist die Erstreckung des Messelements in Umlaufrichtung des Außenumfangs des Innenlagerrings mindestens ein Viertel des Außenumfangs des Innenlagerrings. Das Messelement erstreckt sich vorzugsweise zwischen einer Erstreckung kleiner als ein Durchmesser eines Wälzkörpers und einer Erstreckung von mindestens einem Viertel des Außenumfangs des Innenlagerrings.The extension of the measuring element in the direction of rotation of the outer circumference of the inner bearing ring can vary depending on the desired function and can be easily adapted to the specific measuring requirements. The extension of the measuring element in the direction of rotation of the outer circumference of the inner bearing ring is preferably smaller than a diameter of a rolling element located between the outer bearing ring and the inner bearing ring. Alternatively, the extension of the measuring element in the circumferential direction of the outer circumference of the inner bearing ring is at least a quarter of the outer circumference of the inner bearing ring. The measuring element preferably extends between an extension smaller than a diameter of a rolling element and an extension of at least a quarter of the outer circumference of the inner bearing ring.

Die Messstelle bzw. der Bereich auf welchem das Messelement angeordnet ist, ist so gewählt, dass sich Dehnungen bzw. Materialspannungen an den äußeren Oberflächen des Sensorlagers messen lassen.The measuring point or the area on which the measuring element is arranged is selected in such a way that expansions or material stresses on the outer surfaces of the sensor bearing can be measured.

Das Sensorlager umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform ein weiteres Messelement, welches gleichartig zu dem ersten Messelement ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform umfasst das Sensorlager demnach zwei Messelemente, wobei die Messelemente an verschiedenen Messstellen bzw. außenliegenden Flächen des Innenlagerrings angeordnet sind.In a preferred embodiment, the sensor bearing comprises a further measuring element which is designed in the same way as the first measuring element. In this embodiment, the sensor bearing accordingly comprises two measuring elements, the measuring elements being arranged at different measuring points or outer surfaces of the inner bearing ring.

Die elektrische Verschaltung der mehreren Messelemente kann vorzugsweise als Viertel- oder Halbbrücke gestaltet sein.The electrical interconnection of the multiple measuring elements can preferably be designed as a quarter or half bridge.

Ein Vorteil der Verwendung von induktiver Telemetrie ist, dass diese verschleißfrei arbeitet. Die elektrische Verschaltung in dem Sensorlager bietet vorteilhafterweise eine energieeffiziente und störungsarme Datenübertragung. Das erfindungsgemäße Sensorlager ist vorteilhaft, da zum Messen nur eine geringe Anzahl an Sensoren notwendig ist, wobei auch ein einziger Sensor ausreicht. Es werden gute Messergebnisse erzielt und Kosten gespart.One advantage of using inductive telemetry is that it works without wear. The electrical interconnection in the sensor bearing advantageously offers energy-efficient and low-interference data transmission. The sensor bearing according to the invention is advantageous because only a small number of sensors is required for measuring, with a single sensor also being sufficient. Good measurement results are achieved and costs are saved.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist mindestens ein Fahrzeugrad mit einem erfindungsgemäßen Sensorlager auf, wobei das Sensorlager dem zuvor beschriebenen Sensorlager mit all seinen Ausführungsformen gleicht. Vorzugsweise umfasst das Fahrzeug mindestens vier Fahrzeugräder mit jeweils einem solchen Sensorlager. Jedes Fahrzeugrad kann mehr als ein Sensorlager umfassen. Das Sensorlager unterstützt im Fahrzeug verbaute Fahrassistenzsysteme.The vehicle according to the invention has at least one vehicle wheel with a sensor bearing according to the invention, the sensor bearing being the same as the sensor bearing described above with all of its embodiments. The vehicle preferably comprises at least four vehicle wheels, each with such a sensor bearing. Each vehicle wheel can include more than one sensor bearing. The sensor bearing supports driver assistance systems installed in the vehicle.

Das in dem Fahrzeug verbaute Sensorlager kann bevorzugt auf der Getriebeseite, alternativ bevorzugt auf der Radseite des Fahrzeugrads angeordnet sein. Alternativ sind Sensorlager auf der Getriebeseite und auf der Radseite des Fahrzeugrads angeordnet.The sensor bearing installed in the vehicle can preferably be arranged on the transmission side, alternatively preferably on the wheel side of the vehicle wheel. Alternatively, sensor bearings are arranged on the transmission side and on the wheel side of the vehicle wheel.

Vorzugsweise ist das Fahrzeug ein PKW. Das Fahrzeug ist in einer bevorzugten Ausführungsform zum autonomen Fahren ausgebildet.The vehicle is preferably a car. In a preferred embodiment, the vehicle is designed for autonomous driving.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Auswerten eines Messsignals eines Sensorlagers. Das Sensorlager ist gemäß dem zuvor beschriebenen Sensorlager mit all seinen Ausführungsformen ausgebildet. Das Sensorlager umfasst einen Innenlagerring mit darauf angeordnetem Messelement und einen Außenlagerring sowie einen Mikrocontroller. Der Innenlagerring rotiert um den Außenlagerring. Ein erster Verfahrensschritt sieht vor, dass ein Messsignal durch das Messelement des Sensorlagers erfasst wird. Das Messsignal ist im Wesentlichen sinusförmig. Das Messelement erfasst bevorzugt eine Radlagermessgröße, wie eine Dehnung, eine Drehzahl oder eine Winkelposition. Das erfasste Messsignal wird über eine elektrische Verbindung im nächsten Verfahrensschritt an den Mikrocontroller weitergeleitet. Der Mikrocontroller bestimmt in einem weiteren Schritt einen Peak-to-Peak Wert des Messsignals. In einem folgenden Verfahrensschritt wird der Peak-to-Peak Wert mit im Mikrocontroller hinterlegten Werten verglichen. Anschließend erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt die Ausgabe eines Sensorlagerzustandes anhand der verglichenen Werte.The method according to the invention is used to evaluate a measurement signal from a sensor bearing. The sensor bearing is designed in accordance with the sensor bearing described above with all of its embodiments. The sensor bearing comprises an inner bearing ring with a measuring element arranged on it and an outer bearing ring as well as a microcontroller. The inner bearing ring rotates around the outer bearing ring. A first method step provides that a measurement signal is recorded by the measurement element of the sensor bearing. The measurement signal is essentially sinusoidal. The measuring element preferably detects a measured wheel bearing variable, such as a strain, a speed or an angular position. The recorded measurement signal is passed on to the microcontroller via an electrical connection in the next process step. In a further step, the microcontroller determines a peak-to-peak value of the measurement signal. In a subsequent process step, the peak-to-peak value is compared with the values stored in the microcontroller. Subsequently, in a further method step, a sensor bearing status is output based on the compared values.

Aus dem erfassten Messsignal können in einem weiteren Verfahrensschritt durch den Mikrocontroller Messinformationen zu Fahrbahnunebenheiten und/oder Erschütterungen sowie Sensorlagerbelastungen ermittelt werden. Um diese Messinformationen zu generieren wird die Gleichförmigkeit des Sinussignals analysiert.In a further method step, the microcontroller can use the recorded measurement signal to determine measurement information on uneven road surfaces and / or vibrations and sensor bearing loads. In order to generate this measurement information, the uniformity of the sinusoidal signal is analyzed.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Messsignale einer rotierenden Signalquelle gut reproduzierbar sind. Weiterhin ist das System, durch den auf dem Außenlagerring unmittelbar angeordneten Sensor, hysteresefrei. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Peak-to-Peak Wert nahezu temperaturunabhängig ist.One advantage of the method according to the invention is that the measurement signals from a rotating signal source can be reproduced well. Furthermore, the system is hysteresis-free thanks to the sensor arranged directly on the outer bearing ring. Another advantage is that the peak-to-peak value is almost independent of temperature.

Mittels induktiver Telemetrie, wobei eine Empfängerspule einer Senderspule gegenüber liegt, werden bevorzugt in einem weiteren Verfahrensschritt die ermittelten Sensorlagerzustände beispielsweise an eine Steuereinheit weitergeleitet. Die induktive Telemetrie dient vorteilhafterweise auch als Energielieferant für den Mikrocontroller, sodass eine zusätzliche Energieversorgung entfallen kann.By means of inductive telemetry, with a receiver coil lying opposite a transmitter coil, the ascertained sensor bearing states are preferably passed on, for example to a control unit, in a further method step. The inductive telemetry advantageously also serves as an energy supplier for the microcontroller, so that an additional energy supply can be dispensed with.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

  • 1 einen Ausschnitt einer schematischen Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorlagers;
  • 2 einen Ausschnitt einer schematischen Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des Sensorlagers;
  • 3 eine Schnittansicht des Sensorlagers mit einem Messelement; und
  • 4 eine Schnittansicht des Sensorlagers gemäß 3 mit einem alternativen Messelement.
Further advantages and details of the present invention emerge from the following description of preferred embodiments with reference to the drawing. Show it:
  • 1 a detail of a schematic sectional view of a first embodiment of a sensor bearing according to the invention;
  • 2 a detail of a schematic sectional view of a second embodiment of the sensor bearing;
  • 3 a sectional view of the sensor bearing with a measuring element; and
  • 4th a sectional view of the sensor bearing according to 3 with an alternative measuring element.

1 zeigt einen Ausschnitt einer schematischen Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorlagers. Das Sensorlager umfasst einen Innenlagerring 01 und einen zu diesem koaxial angeordneten Außenlagerring 02. Der Innenlagerring 01 ist gegenüber dem Außenlagerring 02 rotierbar. Zwischen den beiden Lagerringen 01, 02 sind Wälzkörper 03 angeordnet, die dem Abrollen der Lagerringe 01, 02 zueinander dienen. An dem radialen Außenumfang des Innenrings 01 ist ein erstes flaches Messelement 04 in Form eines Dünnschichtsensors, welcher durch eine dehnungsempfindliche Metallbeschichtung erzeugt wurde, angeordnet. Das erste Messelement 04 ist beispielsweise gemäß der Sensotect-Baureihe der Anmelderin ausgebildet. Das Messelement 04 dient der Messung von Lagermessgrößen, wie einer Drehzahl oder einer auftretenden Dehnung. In seiner Abmessung und Positionierung ist das Messelement 04 bevorzugt so gestaltet, dass es den Außenumfang des Innenlagerrings 01 nicht überragt. Damit bleibt der Einbau des Außenlagerrings in vorhandene Gehäuseteile möglich, ohne dass diese angepasst werden müssen. Weiterhin umfasst das Sensorlager einen Mikrocontroller 06, der vollständig von einer Kunststoffvergussmasse 07 eingeschlossen ist. Der Mikrocontroller 06 ist zusammen mit der Kunststoffvergussmasse 07 an einer axialen Stirnseite des Innenlagerrings 01 angeordnet. Das Messelement 04 ist mit dem Mikrocontroller 06 über eine elektrische Verbindung 08 gekoppelt. Weiterhin umfasst das Sensorlager Mittel zur Ausführung induktiver Telemetrie in Form einer Senderspule 09 bzw. einer Primärspule, und einer Empfängerspule 11 bzw. einer Sekundärspule. Die beiden Spulen 09, 11 dienen gemeinsam der Datenübertragung und dem Energietransfer. Die Senderspule 09 ist auf der Außenseite der Kunststoffvergussmasse 07 angeordnet und ist zumindest teilweise von dieser umgeben. Die Senderspule 09 ist elektrisch mit dem Mikrocontroller 06 verbunden. Radial gegenüber der Senderspule 09 ist die Empfängerspule 11 angeordnet. Die Empfängerspule 11 ist in einer zweiten Vergussmasse 12 zumindest teilweise eingelassen. Zwischen den beiden Spulen 09, 11 ist ein Spalt 13 ausgebildet. 1 shows a detail of a schematic sectional view of a first embodiment of a sensor bearing according to the invention. The sensor bearing includes an inner bearing ring 01 and an outer bearing ring arranged coaxially with this 02 . The inner bearing ring 01 is opposite the outer bearing ring 02 rotatable. Between the two bearing rings 01 , 02 are rolling elements 03 arranged that the rolling of the bearing rings 01 , 02 serve each other. On the radial outer circumference of the inner ring 01 is a first flat measuring element 04 in the form of a thin-film sensor, which was generated by a stretch-sensitive metal coating, arranged. The first measuring element 04 is designed, for example, according to the Applicant's Sensotect series. The measuring element 04 is used to measure bearing parameters, such as a speed or an occurring strain. In terms of its dimensions and positioning, the measuring element is 04 preferably designed so that it is the outer circumference of the inner bearing ring 01 not towered over. This means that the outer bearing ring can still be installed in existing housing parts without these having to be adapted. The sensor bearing also includes a microcontroller 06 which is completely made of a plastic potting compound 07 is included. The microcontroller 06 is together with the plastic potting compound 07 on an axial end face of the inner bearing ring 01 arranged. The measuring element 04 is with the microcontroller 06 via an electrical connection 08 coupled. Furthermore, the sensor bearing comprises means for performing inductive telemetry in the form of a transmitter coil 09 or a primary coil, and a receiver coil 11 or a secondary coil. The two coils 09 , 11 serve together for data transmission and energy transfer. The transmitter coil 09 is on the outside of the plastic potting compound 07 arranged and is at least partially surrounded by this. The transmitter coil 09 is electrical with the microcontroller 06 tied together. Radially opposite the transmitter coil 09 is the receiver coil 11 arranged. The receiver coil 11 is in a second potting compound 12th at least partially embedded. Between the two coils 09 , 11 is a crack 13th educated.

1 zeigt das Sensorlager, wenn es auf einer Getriebeseite positioniert ist. Die Messrichtung des Messelements 04 ist in der in 1 gezeigten Ausführungsform beispielsweise in etwa 70% Radaufstandskraft und 30 % Seitenkraft aufgeteilt. 1 shows the sensor bearing when it is positioned on a transmission side. The measuring direction of the measuring element 04 is in the in 1 The embodiment shown, for example, is divided into approximately 70% wheel contact force and 30% lateral force.

2 zeigt einen Ausschnitt einer schematischen Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des Sensorlagers, wobei das Sensorlager an einer Radseite positioniert ist. 2 shows a detail of a schematic sectional view of a second embodiment of the sensor bearing, the sensor bearing being positioned on one side of the wheel.

Zunächst gleicht das in 2 gezeigte Sensorlager dem in 1 gezeigten Sensorlager. Abweichend zu dem in 1 gezeigten Sensorlager umfasst das in 2 gezeigte Sensorlager ein zweites Messelement 14, welches dem ersten Messelement 04 bevorzugt in der Bauart gleicht. Es ist aber auch möglich, dass die beiden Messelemente 04, 14 unterschiedlicher Bauart oder Funktion sind. Das zusätzliche Messelement 14 ist an einer axial verlaufenden Fläche bzw. einem Flansch 16 des Innenlagerrings 01 angeordnet. Die beiden Messelemente 04, 14 sind orthogonal zueinander ausgerichtet. Die Messrichtung des Messelements 04 in der in 2 gezeigten Ausführungsform gleicht der in 1 gezeigten Ausführungsform. Die Messrichtung des Messelements 14 ist in der in 2 gezeigten Ausführungsform beispielsweise in etwa 25% Radaufstandskraft und 75 % Seitenkraft aufgeteilt.First of all, it is the same as in 2 sensor bearings shown in 1 sensor bearing shown. In contrast to the in 1 The sensor bearing shown in FIG 2 Sensor bearing shown a second measuring element 14th , which is the first measuring element 04 preferably the same in design. But it is also possible that the two measuring elements 04 , 14th are of different design or function. The additional measuring element 14th is on an axially extending surface or a flange 16 of the inner bearing ring 01 arranged. The two measuring elements 04 , 14th are aligned orthogonally to each other. The measuring direction of the measuring element 04 in the in 2 The embodiment shown is similar to that in FIG 1 embodiment shown. The measuring direction of the measuring element 14th is in the in 2 The embodiment shown, for example, is divided into approximately 25% wheel contact force and 75% lateral force.

3 zeigt eine Schnittansicht des Sensorlagers gemäß 1 oder 2 mit einem Messelement 04, 14, wobei sich das Messelement 04, 14 in umlaufender Richtung zu einem Viertel über den Umfang des Innenlagerrings 01 erstreckt. 3 FIG. 4 shows a sectional view of the sensor bearing according to FIG 1 or 2 with a Measuring element 04 , 14th , with the measuring element 04 , 14th in the circumferential direction to a quarter over the circumference of the inner bearing ring 01 extends.

4 gleicht zunächst 3- 4 zeigt eine Schnittansicht des Sensorlagers gemäß 1 oder 2 mit einem alternativ gestalteten Messelement 04, 14, wobei sich das Messelement 04, 14 in umlaufender Richtung weniger als eine Durchmessererstreckung eines Wälzkörpers 03 über den Umfang des Innenlagerrings 01 erstreckt. 4th initially equals 3 - 4th FIG. 4 shows a sectional view of the sensor bearing according to FIG 1 or 2 with an alternatively designed measuring element 04 , 14th , with the measuring element 04 , 14th in the circumferential direction less than a diameter extension of a rolling element 03 over the circumference of the inner bearing ring 01 extends.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

0101
InnenlagerringInner bearing ring
0202
AußenlagerringOuter bearing ring
0303
WälzkörperRolling elements
0404
erstes Messelementfirst measuring element
0505
--
0606
MikrocontrollerMicrocontroller
0707
KunststoffvergussmassePlastic potting compound
0808
elektrische Verbindungelectrical connection
0909
SenderspuleTransmitter coil
1010
--
1111
EmpfängerspuleReceiver coil
1212th
zweite Vergussmassesecond potting compound
1313th
Spaltgap
1414th
zweites Messelementsecond measuring element
1515th
--
1616
axiale Fläche / Flansch des Innenlagerrings 01axial surface / flange of the inner bearing ring 01

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Sensorlager umfassend einen um eine Achse rotierbaren Innenlagerring (01), der koaxial zu einem Außenlagerring (02) befindlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem rotierbaren Innenlagerring (01) eine Primärspule (09) sowie ein Mikrocontroller (06) und an dem stehenden Außenlagerring (02) eine Sekundärspule (11) angeordnet sind, wobei die Primärspule (09) und die Sekundärspule (11) gegenüberliegend angeordnet sind und dazwischen ein Luftspalt (13) besteht und wobei ein mit der Primärspule (09) gekoppeltes Messelement (04) an einer außenliegenden Fläche des Innenlagerrings (01) angeordnet ist.Sensor bearing comprising an inner bearing ring (01) which is rotatable about an axis and which is located coaxially to an outer bearing ring (02), characterized in that a primary coil (09) and a microcontroller (06) on the rotatable inner bearing ring (01) and on the stationary outer bearing ring (02) a secondary coil (11) are arranged, the primary coil (09) and the secondary coil (11) being arranged opposite one another and an air gap (13) between them and a measuring element (04) coupled to the primary coil (09) on a outer surface of the inner bearing ring (01) is arranged. Sensorlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die außenliegende Fläche des Innenlagerrings ein Außenumfang des Innenlagerrings (01) oder eine axiale Fläche (16) des Innenlagerrings (01) ist.Sensor bearing after Claim 1 , characterized in that the outer surface of the inner bearing ring is an outer circumference of the inner bearing ring (01) or an axial surface (16) of the inner bearing ring (01). Sensorlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (04) flach und bezogen auf die Außenabmessungen des Sensorlagers bauraumneutral ausgebildet ist.Sensor bearing after Claim 1 or 2 , characterized in that the measuring element (04) is flat and space-neutral in relation to the outer dimensions of the sensor bearing. Sensorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (04) ein Dehnungsmessstreifen ist oder aus einer dehnungsempfindlichen Metallbeschichtung besteht.Sensor bearings according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the measuring element (04) is a strain gauge or consists of a strain-sensitive metal coating. Sensorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorlager mindestens ein weiteres gleichartig ausgebildetes Messelement (14) umfasst, welches an einer außenliegenden Fläche des Innenlagerrings angeordnet ist.Sensor bearings according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the sensor bearing comprises at least one further similarly designed measuring element (14) which is arranged on an outer surface of the inner bearing ring. Sensorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckung des Messelements (04) in Umlaufrichtung des Außenumfangs des Innenlagerrings (01) kleiner als ein Durchmesser eines zwischen dem Außenlagerring (02) und dem Innenlagerring (01) befindlichen Wälzkörpers (03) ist.Sensor bearings according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the extension of the measuring element (04) in the direction of rotation of the outer circumference of the inner bearing ring (01) is smaller than a diameter of a rolling element (03) located between the outer bearing ring (02) and the inner bearing ring (01). Sensorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckung des Messelements (04) in Umlaufrichtung des Außenumfangs des Innenlagerrings (01) mindestens ein Viertel des Außenumfangs des Innenlagerrings (01) beträgt.Sensor bearings according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the extent of the measuring element (04) in the direction of rotation of the outer circumference of the inner bearing ring (01) is at least a quarter of the outer circumference of the inner bearing ring (01). Fahrzeug, insbesondere PKW, mit mindestens einem Fahrzeugrad, welches ein Sensorlager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.Vehicle, in particular a car, with at least one vehicle wheel, which is a sensor bearing according to one of the Claims 1 until 7th includes. Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorlager auf der Getriebeseite und/oder auf der Radseite des Fahrzeugrads, welches das Sensorlager umfasst, angeordnet ist.Vehicle after Claim 8 , characterized in that the sensor bearing is arranged on the transmission side and / or on the wheel side of the vehicle wheel which comprises the sensor bearing. Verfahren zum Auswerten eines Messsignals eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Sensorlagers, welches einen Innenlagerring (01) mit daran angeordnetem Messelement (04) sowie einen Außenlagerring (02) und einen Mikrocontroller (06) besitzt, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Erfassen des Messsignals durch das Messelement (04), wobei das Messsignal sinusförmig geformt ist; - Übermitteln des Messsignals an den Mikrocontroller (06); - Bestimmen eines Peak-to-Peak Wertes des Messsignals durch den Mikrocontroller (06); - Vergleichen des Peak-to-Peak Wertes mit Vergleichswerten, auf die der Mikrocontroller (06) Zugriff hat; und - Ausgabe eines Sensorlagerzustandes anhand der verglichenen Werte.Method for evaluating a measurement signal according to one of the Claims 1 until 7th formed sensor bearing, which has an inner bearing ring (01) with a measuring element (04) arranged thereon as well as an outer bearing ring (02) and a microcontroller (06), comprising the following method steps: - Detection of the measuring signal by the measuring element (04), the measuring signal being sinusoidally shaped is; - Transmission of the measurement signal to the microcontroller (06); - Determination of a peak-to-peak value of the measurement signal by the microcontroller (06); - Comparing the peak-to-peak value with comparison values to which the microcontroller (06) has access; and output of a sensor bearing status based on the compared values.
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